新疆阜康白楊河礦區煤層氣排采工藝適應性研究

摘 要：在新疆阜康白楊河礦區煤層氣排采過程中，通過不同排采工藝應用數量出故障情況以及應用效果的對比，證實有桿泵排采工藝是最適合于新疆阜康白楊河示范區煤層氣井井身條件和生產狀況的排采工藝。

關鍵詞：煤層氣井；煤層氣開發；排采工藝；抽油機；無桿泵；電潛泵

中圖分類號：TE37 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0191-02

引 言

自20世紀80年代初，美國首先對煤層氣資源進行開采以來，世界各國競相開展煤層氣的勘探試驗和工業開發。目前以美國、加拿大、澳大利亞等國商業化生產最為成功。

對于排水采氣設備的設計與選型，美國普遍采用的方法是在生產工作制度中，選擇多種排采方式。例如：在產水量較低的煤層氣井中（日產水量<60m3），采用數控抽水機、變頻調速抽水機等，保證方便、快速調整生產制度，更好的控制液面穩定降低；對于產水量大、且供液能力強的煤層氣井（日產水量>60m3），生產前期的主要任務是排水降壓，選擇電潛泵、大直徑管式泵或螺桿泵。

中國的煤層氣排采技術主要借鑒美國的開發技術，并借鑒和沿用了油氣行業的人工舉升設備，主要包括有桿泵、螺桿泵、電潛泵和射流泵等幾種舉升設備。各種不同工藝的技術特點及適應性分析如下：

1 不同工藝技術特點及適應性分析

1.1 抽油機有桿泵排采工藝

（1）工藝原理

抽油機有桿泵排采工藝俗稱三抽系統，地面為抽油機，井下為抽油泵，抽油桿連接地面和井下設備。抽油泵由泵筒和柱塞兩大部分組成。將抽油泵下入到井筒液面以下的適當深度，泵柱塞在抽油機的帶動下，在泵筒內作上下往復抽吸運動，從而達到從油管內抽吸排水、降低液柱對井底的回壓，從油套環形空間采出煤層氣的目的。

（2）技術特點

抽油機有桿泵排采工藝具有如下特點：

①技術成熟，適應性強，操作簡單，性能可靠，成本較低；

②在排采不同階段，根據產水量變化調整泵型，并可通過調速電機調頻，根據各井情況選擇適當的排采強度，因此它的工作深度和排量都能適應大部分煤層氣井的排液要求；

③其抽深和排量又能覆蓋大多數氣井，且通過調頻電機調節沖程和沖次，容易實現排量的任意調節。

1.2 螺桿泵排采工藝

（1）工藝原理

螺桿泵系統由地面驅動設備和井下螺桿泵組成，螺桿泵的核心是定子和轉子。生產時，不同時刻定子和轉子的接觸形式是不同的，兩點式接觸和接觸線呈弧線式交替出現，沿著螺桿泵的長度，定子和轉子之間會有多個密閉的空間。生產時，轉子轉動，它們形成的密閉的空間會隨著轉子的轉動不斷變換位置，逐漸沿著螺桿泵軸向方向推進，密閉空間內的液體也會隨著它向地面排出，而在下端不斷形成的密閉空間會陸續的帶著液體向上移動，如此循環，實現舉升。

（2）技術特點

螺桿泵排采工藝具有如下技術優勢：

①地面設備結構簡單，占地面積小，非常適應復雜地形，排量和揚程也較適合煤層氣井的排水要求；

②投資費用和操作費用較低；

③受固體顆粒和氣體影響較小；

④負載穩定，系統效率高。

同時也具有如下工藝缺點：

①定子壽命影響著螺桿泵系統的使用效果；

②在井下出粉出砂較多時，容易卡泵，造成桿柱扭斷、脫扣等，檢泵困難；

③泵下面萬向節不能很好消除偏心距造成的泵身振動，井內震動大；

④一般用于產量小的井或者后期地層供液能力不足時，摩擦產生熱量散失慢，致使泵體溫度升高，會發生“燒泵”現象。

1.3 電潛泵排采工藝

（1）工藝原理

電潛泵排采工藝是將電潛泵機組裝置通過油管下入井下，多級離心泵裝置進行高速旋轉將地層流體從泵口排出，井中流體就會從油管中排出。流體的排出，使得環空液面高度下降，煤層壓力也跟著下降，當煤層壓力下降到低于煤層氣的解吸壓力時，吸附在煤層中的甲烷就會解吸，擴散、滲流產出，進而完成油管排水，套管采氣。

（2）技術特點

電潛泵排采工藝具有如下技術優勢：

①排量大、揚程高，無脈沖，運轉平穩；

②可形成較大的生產壓差，理論上可將氣井采至枯竭；

③設備結構簡單，易損件少，運轉周期長，操作和維修工作量小；

④調節性能好，運轉可靠；

⑤適合斜井、水平井等井斜角大的情況。

電潛泵工藝同時也具有如下缺點：

①電潛離心泵系統成本相對較高，一次性投入費用大；

②容易燒泵。由于液面低，電機無法散熱，導致燒泵情況發生；

③氣體含量高時，將會引起氣體干擾或氣鎖；

④腐蝕、砂、垢等對機組壽命影響較大；

⑤對供電系統要求高。

1.4 射流泵排采工藝

（1）工藝原理

射流泵是水力泵的一種類型，它沒有運動件，工作時由地面柱塞泵提供高壓水作為動力液，通過內管進入射流泵泵芯，由泵芯的噴嘴噴出，在噴嘴和喉管之間產生負壓，將地層流體吸入泵筒，通過動力液和采出液之間的能量轉換將地層流體舉升至井口。

（2）技術特點射流泵排采工藝具有如下優點：

①沒有運動部件，不存在偏磨；

②防卡、攜煤粉能力強，可正向洗井解堵，方便快捷；

③采用地面投撈修泵換泵，維修簡單，時間短，費用低；

④叢式井組可共用一套地面系統，能節約投資費用。

該工藝的缺點如下：

①舉升效率較低，通常小于25%，造成能耗大；

②地面系統復雜，設備龐大，建設周期長，維護費用較高；

③防氣效果相對較差，為防止氣蝕，射流泵排水采氣要求較高的吸入壓力和較高的沉沒度。

2 阜康示范區排采工藝現狀

截止2017年12月30日，阜康示范區共有排采井51口，投入排采的有50口井，目前所使用的排采工藝全部為抽油機有桿泵，期間零星使用過螺桿泵、水力無桿泵和電潛泵。經過使用對比，為了方便管理、降低排采維護人員，降低排采成本，后全部棄用。

由于本示范區產水差異較大，各井產水量從小于1m3/d到最大344m3/d，在有桿泵的泵徑選擇方面，根據實際生產的需要，選擇了44mm、56mm、70mm、83mm、95mm等不同型號的有桿泵，不同泵徑使用數量分布情況可見圖1。

由于泵徑的變大，抽油機的載荷也相應增加，故示范區的抽油機包括了4型、5型、6型等不同型號。目前各機型使用情況是4型20臺，5型16臺，6型16臺，不同抽油機使用情況可見圖2。

3 阜康白楊河排采工藝適應性分析

阜康白楊河礦區具有總體地質構造簡單（基本呈南傾單斜構造），地層傾角大，煤層多、厚度大等特點。根據示范區的地形條件和煤層特點，以及考慮到通過示范工程試驗新工藝、新技術進行技術儲備的需要，示范工程總體設計采用了以叢式井為主的開發井型，并試驗U型井和順煤層L型井；考慮到示范區煤層多，層間距大，為了控制靶點井距，叢式井采用了直井、三段制定向井和五段制定向井等不同的井身結構；另外，在完井方式上主要采用下套管射孔完井的方式，并在U型井和順煤層L型井試驗篩管完井的方式。

不同井型和不同的完井方式對于排采工藝的要求也不一樣。阜康示范工程建設過程中，采用了以有桿泵為主的排采工藝，并試驗了螺桿泵、水力無桿泵和電潛泵等不同工藝。不同排采工藝應用及試驗效果情況如下：

（1）有桿泵

有桿泵工藝是煤層氣常用的排采工藝之一，具有技術成熟，使用可靠等優點。本次示范工程前后共有51口井采用該工藝技術，應用的井型包括叢式井、順煤層L型井和U型井，完井方式包括了套管射孔完井和篩管完井。在叢式井中應用的井身結構包括了直井、三段制和五段制定向井。有桿泵應用情況見表1。

從目前排采情況看，使用有桿泵的井生產穩定，設備運行狀況良好。從修井情況看（見圖3），盡管有些井出現了卡泵和不出水等情況造成修井，修井率為51%；但總的來說要遠低于螺桿泵，檢泵周期也明顯較螺桿泵的檢泵周期長很多。另外，從設備運行的穩定性、可靠性方面看，也不會出現因某種故障造成無法滿足排采制度要求的情況。

總體來看，有桿泵排采工藝基本能滿足本區不同井型、不同井身質量情況、不同產水量井的排采需要，穩定可靠，適用性好。

（2）螺桿泵

螺桿泵排采工藝前后試驗了10口井，因頻繁出現卡泵、脫泵問題，檢泵周期短，平均檢泵周期僅41.1d，對排采連續性的影響較大，后將螺桿泵全部更換為有桿泵的排采方式，修井檢泵情況明顯減少，排采連續性得到改善，排采效果也逐漸顯現。通過試驗證實螺桿泵排采工藝在示范工程區適應性較差。

（3）水力無桿泵

水力無桿泵是一種新型的排采設備，其最大的優點是沒有運動部件，不存在偏磨問題。而FSL-X井是示范工程試驗的1口順煤層L型井，采用篩管完井的方式。該井井斜角大，煤粉多，為了防止偏磨造成頻繁卡泵，在該井試驗了水力無桿泵排采工藝。在前期使用的105d左右設備運行較穩定，基本滿足排采要求，后期由于設備本身故障造成運行不穩定，造成流壓波動大，不能滿足井的正常排采降壓要求。總體看，該排采工藝雖然能解決定向井或大斜度井桿管偏磨的問題，但是由于該工藝是近年剛研發的新工藝，還存在運行不穩定，易出故障等問題，不能很好滿足煤層氣井“連續、穩定、緩慢”的排采要求，不能很好地適應本示范工程煤層氣井排采的需要。

（4）電潛泵

電潛泵具有排量大、不存在桿管偏磨問題等優點，特別適合于排量大的井。示范區的FS-XX井處于地層轉折部位，產水量異常大，采用常規的抽油機+有桿泵的方式，換大泵后最大排水量約100m3/d，但仍不能滿足正常的排采降液要求，因此在該井試驗了電潛泵排采工藝。該工藝于2015年7月9日投入使用，日產水量最高達到344m3/d。使用該工藝排采后，FS-XX井流壓能夠按照排采制度要求緩慢下降，排采初期效果較好，但逐漸無法滿足排采要求，至2016年6月4日，電潛泵無法正常啟動，檢泵作業，發現油管大量結垢（見圖4），排采效果一般。

4 結 論

通過不同排采工藝應用數量、出故障情況以及應用效果的對比，證實有桿泵排采工藝是最適合于新疆阜康白楊河示范區煤層氣井井身條件和生產狀況的；對于極少數產水量異常大的井，電潛泵排采工藝可以作為一個備選方案，但是需要考慮井下結垢問題對電潛泵正常使用的影響。

參考文獻

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收稿日期：2018-5-15